反応炉
【課題】 従来より反応管の長さを長くした場合でも、反応炉内の温度差を小さくすることができる反応炉を提供することにある。
【解決手段】 複数のバーナ構造体１３は、２列の反応管列４Ａ，４Ｂの間に１列以上のバーナ列をなすように反応管列４Ａ，４Ｂに沿って配置されている。２列の反応管列４Ａ，４Ｂの間の距離Ｌ１及び高温空気供給口から供給される高温空気の流速並びに２列の反応管列４Ａ，４Ｂと一対の側壁１ｃ，１ｄとの間の距離Ｌ２を、複数のバーナ構造体１３から出た高温空気燃焼火炎により発生する高温空気燃焼ガスの主要部分が、２列の反応管列の間の内側空間ＩＳ内を上壁１ｂ付近まで上昇し、その後上壁１ｂに沿って一対の側壁１ｃ、１ｄ側に分かれて流れ、２列の反応管列と一対の側壁との間の外側空間ＯＳ１，ＯＳ２内に入った後、底壁１ａ付近まで下降し、その後再度内側空間ＩＳ内に入って排気口に導かれるように定める。
【解決手段】 複数のバーナ構造体１３は、２列の反応管列４Ａ，４Ｂの間に１列以上のバーナ列をなすように反応管列４Ａ，４Ｂに沿って配置されている。２列の反応管列４Ａ，４Ｂの間の距離Ｌ１及び高温空気供給口から供給される高温空気の流速並びに２列の反応管列４Ａ，４Ｂと一対の側壁１ｃ，１ｄとの間の距離Ｌ２を、複数のバーナ構造体１３から出た高温空気燃焼火炎により発生する高温空気燃焼ガスの主要部分が、２列の反応管列の間の内側空間ＩＳ内を上壁１ｂ付近まで上昇し、その後上壁１ｂに沿って一対の側壁１ｃ、１ｄ側に分かれて流れ、２列の反応管列と一対の側壁との間の外側空間ＯＳ１，ＯＳ２内に入った後、底壁１ａ付近まで下降し、その後再度内側空間ＩＳ内に入って排気口に導かれるように定める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温空気燃焼技術を用いた反応炉に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特願２００３−２８２４１１号（特開２００５−４６７５３号公報）には、反応炉内の温度差を従来より小さくすることができる高温空気燃焼技術を用いた反応炉の従来例が示されている。この従来の反応炉では、隣接する２本以上の反応管の間に形成された空間に反応管軸方向に向かって燃料を噴射するように、複数の主たるバーナ（主として燃料供給用）を配置する。そして炉本体内が高温空気燃焼状態になるまでは複数の別のバーナ（主として燃焼用空気供給と排気ガスの排気用）を燃焼させて反応炉内の温度を上昇させる。そして炉本体内が高温空気燃焼状態になった後に、複数の主たるバーナの燃焼を開始し、以後複数の主たるバーナの燃焼量の増加に伴って複数の別のバーナの燃焼量を減少させて必要な燃焼状態を得る。
【特許文献１】特開２００５−４６７５３号公報［図１］
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
高温空気燃焼技術を用いると、反応炉内の温度差をできるだけ小さくすることができる。しかしながら、従来の反応炉では、反応管の長さがあまり長くならない場合には（反応管の長さが６ｍに満たない場合には）、温度差を小さくできる効果を十分に発揮できるものの、反応管の長さが長くなればなるほど、反応炉内の温度差が大きくなる傾向があり、反応管の長さを長くすることに限界があった。
【０００４】
本発明の目的は、従来より反応管の長さを長くした場合でも、反応炉内の温度差を小さくすることができる反応炉を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の高温空気燃焼技術を適用する反応炉は、底壁と、上壁と、対向する一対の側壁を有する周壁とからなる炉壁によって囲まれた燃焼室を内部に有する炉本体を有している。また反応炉は、底壁と上壁との間に設けられた複数本の反応管と、底壁に設けられて燃焼室内において燃料を燃焼する複数のバーナと有する。さらに反応炉は、燃焼室内の燃焼ガスを吸気口を通して吸引し、燃焼ガスを通気性を有する蓄熱手段を通して炉外に排出し且つ蓄熱手段の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を高温空気供給口から燃焼室内に供給する熱交換型燃焼用空気供給装置を備えている。複数本の反応管は、一対の側壁に沿って並ぶ２列の反応管列を構成するように配置されている。また炉本体内が高温空気燃焼状態になるように複数のバーナ及び熱交換型燃焼用空気供給装置の運転が制御される。このような構成の反応炉において、本発明では、複数のバーナは、２列の反応管列の間に１列以上のバーナ列をなすように反応管列に沿って配置されている。また本発明では、２列の反応管列の間の距離Ｌ１及び高温空気供給口から供給される高温空気の流速並びに２列の反応管列と前記一対の側壁との間の距離Ｌ２を、複数のバーナから出た高温空気燃焼火炎により発生する高温空気燃焼ガスの主要部分が、次の流路で流れるように、定めている。すなわち複数のバーナから出た高温空気燃焼火炎により発生する高温空気燃焼ガスの主要部分は、２列の反応管列の間の内側空間内を２列の反応管に沿って上壁付近まで上昇する。その後、高温空気燃焼ガスの主要部分は、上壁に沿って一対の側壁側に分かれて流れ、２列の反応管列と一対の側壁との間の外側空間内に入る。その後、高温空気燃焼ガスの主要部分は、底壁付近まで下降し、その後再度内側空間内に入って排気口に導かれる。
【０００６】
なお高温空気燃焼ガスのうち上壁まで到達しなかった高温空気燃焼ガスは、内側空間を上昇した後、２列の反応管列に向かって分かれ、外側空間に入った後、底壁付近まで下降し、再度内側空間に入って排気口に導かれる。
【０００７】
このように反応炉を構成すると、反応管の長さが６ｍ以上になる場合でも、各反応管を内側空間と外側空間の両側から加熱することができるので、反応炉内の温度差が極端に大きくなることはない。反応管の下部領域近傍では、内側空間内のガス温度が高く、外側空間内のガス温度が低い。また反応管の上部領域では、内側空間内のガス温度と外側空間内のガス温度との差はあまり大きくならない。そして内側空間内においては、下部領域から上部領域の範囲内において、ガス温度の大きな変化はない。これに対して外側空間内においては、上部領域から下部領域に向かうに従って、ガス温度は低下する。しかしこの空間内においても、側壁に近い領域ではガス温度に大きな変化はない。反応管に近い領域では、上部領域と下部領域との間に、若干大きな温度差が発生している。これは、内部空間の途中から外部空間に入り込む燃焼ガスがあるためである。反応管の周囲を見ると、大きな温度差の無い高温の燃焼ガスが流れている。この内側空間内のガス温度と外側空間内のガス温度との関係から、反応管の長さが長くなっても、反応管の加熱温度は局部加熱となるほどに高くなることはない。
【０００８】
なお反応管の長さが、６ｍ〜１３ｍであれば、距離Ｌ１と距離Ｌ２との比（Ｌ１：Ｌ２）が、１：０．５〜１：１の間の比となるように距離Ｌ１及びＬ２を定めるのが好ましい。そして高温空気の流速は、複数のバーナから出た高温空気燃焼火炎が、反応管の管軸方向（長手方向）の中央部の位置を越えて上壁側に延びるように定められているのが好ましい。
【０００９】
具体的には、反応管の最高温度と最低温度との差が、１００℃以内になり、且つ高温空気燃焼ガスの最高温度と最低温度との差が５００℃以内になるように、２列の反応管列の間の距離Ｌ１、高温空気供給口から供給される高温空気の流速、２列の反応管列と一対の側壁との間の距離Ｌ２及びバーナの燃焼量が定められるのが好ましい。さらに具体的に示すと、距離Ｌ１を２ｍ以上３ｍ以下とし、距離Ｌ２を１ｍ以上３ｍ以下とした場合には、バーナの燃焼量を１ＭＷ以上３ＭＷ以下とする。距離Ｌ１が３ｍより大きくなると、内側空間から外側空間に燃焼ガスが入り込むことなく、内部空間内でのみ燃焼ガスが循環する内部循環が発生する可能性が高くなる。また距離Ｌ１が２ｍより小さくなると、２本の反応管列の間にバーナを配置するスペースがなくなって、反応炉の設計上好ましくない。さらに距離Ｌ２が３ｍより大きくなると、外部空間内で燃焼ガスが対流し、内部空間内に燃焼ガスが戻らない対流現象が発生する可能性が高くなり、効率のよい燃焼場を形成することができなくなって、熱損失が大きくなる。また距離Ｌ２が１ｍより小さくなると、内部空間から外部空間に入り込む燃焼ガスの量が少なくなって、効果的なガス循環を行えなくなる問題が生じる。なおバーナの燃焼量であるが、この燃焼量は、反応管の本数や、炉本体の大きさに左右される。標準的な大きさの反応炉であれば、バーナの燃焼量は２ＭＷ以上２．５ＭＷ以下となる場合が多い。さらに高温空気の流速は、反応管の長さによって決まる。反応管の長さが６ｍ以上になる場合には、少なくとも５０ｍ／sec以上の流速が必要であることが、実験から判っている。
【００１０】
２列の反応管列の間に配置される複数のバーナの数及び配置態様は特に限定されるものではない。しかし複数のバーナからなる２列のバーナ列を、それぞれ２列の反応管列に沿うように配置すると、バランスよく内部空間内に燃焼用ガスの流れを形成することができる。
【００１１】
また熱交換型燃焼用空気供給装置は、複数のバーナにそれぞれ対応して配置される複数の高温空気供給口と複数の排気口とを有しているのが好ましい。すなわち１つのバーナに対して１つの高温空気供給口と１つの排気口とを配置するのが好ましい。このようにすると、バランスよく燃焼ガスの循環を形成することができる。この場合、１つのバーナが間に位置するように、１つの高温空気供給口と１つの排気口とが、バーナ列が延びる方向に並ぶように配置されているのが好ましい。このようにすると、２列の反応管列の間に複数のバーナを配置する場合でも、複数のバーナと、複数の高温空気供給口と複数の排気口とを最小限のスペースで配置することができるので、設計が容易になる。
【００１２】
なお一般的に、複数の反応管は、底壁と上壁との間に設けられて、しかも底壁と上壁とを貫通している。そして底壁と上壁とを貫通した反応管は、上部支持構造により支持される。また反応管としては、内部に往路と復路とが形成されたバイオネット型の反応管を用いることもできる。
【００１３】
燃焼用空気は、一般的に蓄熱体の顕熱で８００℃以上の高温に加熱される。熱交換型燃焼用空気供給装置と１つのバーナとが組み合わされた装置は、高温空気燃焼型蓄熱式バーナと呼ばれている。この高温空気燃焼型蓄熱式バーナとしては、例えば特開平１１−２２３３３５号公報及び特開２０００−３９１３８号公報等に示されている周知の連続燃焼式蓄熱バーナシステムを用いることができる。この種の連続燃焼式蓄熱バーナシステムでは、１台のバーナ内部に分割した蓄熱体を有し、一部の蓄熱体に燃焼用空気を供給し、同時に他の部分の蓄熱体は燃焼ガスを吸引して蓄熱を行う。空気供給及び燃焼ガス排出の流路は一定周期で切り換えられ、１台のバーナシステム内部で蓄熱／放熱が繰り返される。高温空気の吐出口は、燃焼ガス排気口と交互に切り替えられる。しかし燃料は１本のバーナから連続的に供給できる。また高温空気燃焼型蓄熱式バーナは、いわゆる交番式蓄熱バーナを用いて構成することもできる。交番式蓄熱バーナは、１つの蓄熱体全体に燃焼用空気と排気ガスとを交互に流して、燃焼用空気を蓄熱体の顕熱で加熱するものである。交番式蓄熱バーナには、大別してバーナの燃焼を連続する連続燃焼タイプと、バーナの燃焼を断続する断続燃焼タイプとがある。連続燃焼タイプのものは、例えば特開平５−２５６４２３号公報や特開平６−１１１２１号公報に示されている。また断続燃焼タイプの一例は、特開平１−２２２１０２号公報に示されている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、２本の反応管列の間の内側空間内においては、下部領域から上部領域に向かうに従って、ガス温度は低下し、逆に２本の反応管列の外側空間内においては、下部領域から上部領域に向かうに従って、ガス温度は増加する。この内側空間内のガス温度と外側空間内のガス温度との関係から、本発明によれば、反応管の長さが６ｍ以上になっても、反応炉内の温度差が、反応管で局部加熱を発生するほどに大きくなることがないという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明を改質用反応炉に適用した実施の形態の構成の一例を概略的に示す図である。また図２は、反応炉の炉本体の内部の構成を概念的に示す斜視図であり、図３は反応炉の内部の配置図である。図１及び図２において、符号１で示したものは、内部に燃焼室２を有する炉本体である。炉本体１は、底壁（炉床）１ａ及び上壁（炉天井）１ｂと、横方向（図１の紙面で見た左右方向）の一対の側壁１ｃ及び１ｄと、幅方向（図１の紙面で見た前後方向）に位置する一対の側壁１ｅ及び１ｆとを備えている。
【００１６】
炉本体１の底壁（炉床）１ａは、支持構造部１０によって支持されている。そして炉本体１の底壁１ａと上壁１ｂとを貫通するように、複数本の反応管３が配置されている。この実施の形態では、複数本（図上は１２本）の反応管３からなる２列の反応管列４Ａ及び４Ｂが、距離Ｌ１をあけて平行に配置されている。この例では図２に見られるように、１列の反応管列に含まれる隣り合う２本の反応管３，３間の距離はほぼ等しくなるように、複数の反応管３は配置されている。図１に見られるように、上壁１ｂを貫通する反応管３の上方端部には、反応管３の膨張・収縮を吸収することができる変形可能な構造を有する連結管５が配置されている。各反応管３に接続された連結管５は、図示しないマニホールドにそれぞれ接続されている。また底壁１ａを貫通する反応管３の下方端部にも、連結管６がぞれぞれ接続されている。各反応管３に接続された連結管６は、各反応管列４Ａ，４Ｂに対してそれぞれ設けられた共通のマニホールド６Ａ，６Ｂにそれぞれ接続されている。
【００１７】
炉本体１の底壁１ａの下方には、熱交換型燃焼用空気供給装置７が取り付けられている。熱交換型燃焼用空気供給装置７は、燃焼室内の燃焼ガスを通気性を有する蓄熱手段８を通して炉外に排出し且つ蓄熱手段８の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を複数の反応管３の管軸方向に向かって燃焼室２内に供給する。
【００１８】
熱交換型燃焼用空気供給装置７の下方には、ダクト構造体９が設けられている。このダクト構造体９は、燃焼用空気を供給する空気ダクト９Ａと排気ガスを排出する排気ガスダクト９Ｂとを備えている。また、このダクト構造体９には、蓄熱手段８に空気と燃焼ガス（排気ガス）とを交互に流すようにするための切換機構１４が設けられている。更にこのダクト構造体９には、燃焼用空気を空気ダクトに送り込む押し込み送風機（図示せず）と排気ガスを排気ガスダクトから引き出す誘引送風機（図示せず）とが配置されている。
【００１９】
また図３に示すように、燃焼室２内に加熱された高温の燃焼用空気を供給する複数の高温空気供給口または燃焼ガスを吸気するための複数の吸気口となる通気口１０，１１及び燃料供給口１２を備えたバーナ構造体１３が、燃焼室２内に向かって開口するように底壁１ａに設けられている。そして高温空気供給口及び吸気口の一方となる通気口１０と高温空気供給口及び吸気口の他方となる通気口１１との間に燃料供給口１２が設けられている。なお本実施の形態では、このバーナ構造体１３の燃料供給口１２が、特許請求の範囲に記載のバーナを構成している。本実施の形態の反応炉では、４本の反応管３に対して１本の燃料供給口並びに、１つの高温空気供給口と１つの吸気口となる一対の通気口１０及び１１がセットになったバーナ構造体１３が、反応管列４Ａ，４Ｂに沿って配置されている。なお本実施例では、通気口１０が高温空気供給口となっている場合には、通気口１１が吸気口となっており、通気口１０が吸気口となっている場合には、通気口１１が高温空気供給口となっている。
【００２０】
熱交換型燃焼用空気供給装置７から複数の燃料供給口１２に供給される空気量は、複数の燃料供給口１２から供給される燃料流量に対する理論燃料空気量の１２０％未満にする。そしてこの空気量は、好ましくは１１５％未満、より好ましくは１０２〜１１０％にすることがよい。本実施の形態では、炉本体内が高温空気燃焼状態（高温空気の温度が８００℃以上）になるように複数のバーナ構造体１３及び熱交換型燃焼用空気供給装置７の運転が制御される。
【００２１】
本実施の形態では、２列の反応管列４Ａ，４Ｂの間の距離Ｌ１と２列の反応管列４Ａ，４Ｂと一対の側壁１ｃ，１ｄとの間の距離Ｌ２及び高温空気供給口から供給される高温空気の流速を、複数のバーナ１２から出た高温空気燃焼火炎により発生する高温空気燃焼ガスの主要部分が、次の流路で流れるように定められている。
【００２２】
図４は、本実施の形態の反応炉における高温空気燃焼ガスの流れと温度の変化、及び反応管の温度差を実験データにより求めた条件に基づいてシミュレーションにより確認した状態を示す模式図である。このシミュレーション例では、反応管の長さ１０ｍ、1本の反応管列を構成する反応管の本数８本、反応管の直径１６４mm、Ｌ１＝２.４ｍ、Ｌ２＝２.７ｍ、高温空気の流速５０ｍ／sec以上、バーナの燃焼量２．２ＭＷ、高温空気の噴出し温度１０００〜１１００℃である。複数のバーナ構造体１３から出た高温空気燃焼火炎により発生する高温空気燃焼ガスの主要部分ＧＭは、２列の反応管列４Ａ，４Ｂの間の内側空間ＩＳ内を２列の反応管４Ａ，４Ｂに沿って上壁１ｂ付近まで上昇する。その後、高温空気燃焼ガスの主要部分ＧＭは、上壁１ｂに沿って一対の側壁１ｃ，１ｄ側に分かれて流れ、２列の反応管列４Ａ，４Ｂと一対の側壁１ｃ，１ｄとの間の外側空間ＯＳ1，ＯＳ２内に入る。その後、高温空気燃焼ガスの主要部分ＧＭは、底壁１ａ付近まで下降し、その後再度内側空間ＩＳ内に入って排気口に導かれる。
【００２３】
なお高温空気燃焼ガスのうち上壁１ａまで到達しなかった残りの高温空気燃焼ガスＧＲは、内側空間ＩＳを上昇した後、２列の反応管列４Ａ，４Ｂに向かって分かれ、外側空間ＯＳ1，ＯＳ２に入った後、底壁１ａ付近まで下降し、再度内側空間ＩＳに入って排気口に導かれる。
【００２４】
高温空気燃焼ガスの温度の変化及び反応管３の各部の温度の変化は、図４に数字で示すとおりである。この例から、反応管３の最高温度と最低温度との差が、１００℃以内になっている。また高温空気燃焼ガスの最高温度と最低温度との差が５００℃以内になっている。ちなみに、特願２００３−２８２４１１号（特開２００５−４６７５３号公報）の図１に示された構造で、上記と同様のシミュレーションを行ったところ、反応管の最高温度と最低温度との差が、１００℃以上になり、また高温空気燃焼ガスの最高温度と最低温度との差が５００℃以上になることが確認された。
【００２５】
図４の結果から判るように、本実施の形態のように反応炉を構成すると、反応管の長さが６ｍ以上になる場合でも、各反応管３を内側空間ＩＳと外側空間ＯＳ1，ＯＳ２の両側から加熱することができるので、反応炉内の温度差が極端に大きくなることはない。ま反応管３の下部領域近傍では、内側空間ＩＳ内のガス温度が高く、外側空間ＯＳ1，ＯＳ２内のガス温度が低い。また反応管３の上部領域では、内側空間ＩＳ内のガス温度と外側空間ＯＳ1，ＯＳ２内のガス温度との差はあまり大きくならない。そして内側空間ＩＳ内においては、下部領域から上部領域の範囲内において、ガス温度の大きな変化はない。また外側空間内においては、上部領域から下部領域に向かうに従って、徐々にガス温度は低下する。しかしながら側壁に近い領域では、大きな温度差が発生していない。反応管３に近い領域では、上部領域と下部領域との間に、若干大きな温度差が発生している。これは、内部空間ＩＳの途中から外部空間ＯＳ1，ＯＳ２に入り込む燃焼ガスがあるためである。しかしながら反応管３の周囲を見ると、大きな温度差の無い高温の燃焼ガスが流れている。この内側空間ＩＳ内のガス温度と外側空間ＯＳ1，ＯＳ２内のガス温度との関係から、反応管３の長さが長くなっても、反応管３の加熱温度は局部加熱となるほどに高くなることはない。
【００２６】
なお反応管の長さが、６ｍ〜１３ｍであれば、距離Ｌ１と距離Ｌ２との比（Ｌ１：Ｌ２）が、１：０．５〜１：１の間の比となるように距離Ｌ１及びＬ２を定めるのが好ましいことが実験とシミュレーションとにより判った。そして高温空気の流速は、複数のバーナ構造体から出た高温空気燃焼火炎が、反応管の長手方向の中央部の位置を越えて上壁側に延びるように定められているのが好ましい。具体的には、５０ｍ／ｓｅｃ以上が好ましい。
【００２７】
また実験とシミュレーションとによると、２列の反応管列の間の距離Ｌ１は、２ｍ以上３ｍ以下とし、２列の反応管列と側壁１ｃ，１ｄとの間の距離Ｌ２を１ｍ以上３ｍ以下とした場合には、バーナの燃焼量を１ＭＷ以上３ＭＷ以下とするのが好ましいことが判った。これは距離Ｌ１が３ｍより大きくなると、内側空間ＩＳから外側空間ＯＳ1，ＯＳ２に燃焼ガスが入り込むことなく、内部空間ＩＳ内でのみ燃焼ガスが循環する内部循環が発生する可能性が高くなるからである。また距離Ｌ１が２ｍより小さくなると、２本の反応管列４Ａ，４Ｂの間にバーナ構造体１３を配置するスペースがなくなって、反応炉の設計上好ましくないからである。さらに距離Ｌ２が３ｍより大きくなると、外部空間内で燃焼ガスが対流し、内部空間内に燃焼ガスが戻らない対流現象が発生する可能性が高くなり、効率のよい燃焼場を形成することができなくなって、熱損失が大きくなることが判っている。また距離Ｌ２が１ｍより小さくなると、内部空間ＩＳから外部空間ＯＳ1，ＯＳ２に入り込む燃焼ガスの量が少なくなって、効果的なガス循環を行えなくなる問題が生じる。
【００２８】
なおバーナの燃焼量であるが、この燃焼量は、反応管３の本数や、炉本体の大きさに左右される。標準的な大きさの反応炉であれば、バーナ構造体１３における燃焼量は２ＭＷ以上２．５ＭＷ以下となる場合が多い。
【００２９】
本実施の形態では、２列のバーナ列を構成するように、複数のバーナ構造体を配置している。このように複数のバーナ構造体からなる２本のバーナ列を、それぞれ２列の反応管列に沿うように配置すると、バランスよく内部空間内に燃焼用ガスの流れを形成することができる。しかし２列の反応管列の間に配置される複数のバーナ構造体１３の数及び配置態様は、本実施の形態に限定されるものではない。例えば、２列のバーナ列を構成する複数のバーナ構造体を千鳥状に配置（１列のバーナ列のバーナ構造体と他の１列のバーナ列のバーナ構造体とが対向しないように配置）してもよいのは勿論である。
【００３０】
また熱交換型燃焼用空気供給装置７は、複数の燃料供給口１２にそれぞれ対応して配置される複数の高温空気供給口１０または１１と複数の排気口１１または１０とを有しているのが好ましい。すなわち１つの燃料供給口１２に対して１つの高温空気供給口と１つの排気口とを配置するのが好ましい。このようにすると、バランスよく燃焼ガスの循環を形成することができる。特に本実施の形態のように、１つの燃料供給口１２が間に位置するように、１つの高温空気供給口１０または１１と１つの排気口１１または１０とが、バーナ列が延びる方向に並ぶように配置されているのが好ましい。このようにすると、２列の反応管列４Ａ，４Ｂの間に複数のバーナ構造体１３を配置する場合でも、複数の燃料供給口１２と、複数の高温空気供給口１０または１１と複数の排気口１１または１０とを最小限のスペースで配置することができるので、設計が容易になる。
【００３１】
なお図５に示すように、反応管としては、内部に往路と復路とが形成されたバイオネット型の反応管３´を用いることもできる。図５には、図１に示した部材と同様の部材には、図１に示した部材に付した符号にダッシュを付した符号を付して説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明を改質用反応炉に適用した実施の形態の構成の一例を概略的に示す図である。
【図２】反応炉の炉本体の内部の構成を概念的に示す斜視図である。
【図３】反応炉の内部の配置図である。
【図４】燃焼ガスの流れと、燃焼ガスの温度変化と反応管の温度の変化を説明すらうために用いる模式図である。
【図５】反応管としてバイオネット型反応管を用いる場合の反応炉の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３３】
１ 炉本体
１ａ 底壁
１ｂ 上壁
３ 反応管
７ 熱交換型燃焼用空気供給装置
８ 蓄熱手段
１０，１１ 通気口
１２ 燃料供給口（バーナ）
１３ バーナ構造体
１４ 切換機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温空気燃焼技術を用いた反応炉に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特願２００３−２８２４１１号（特開２００５−４６７５３号公報）には、反応炉内の温度差を従来より小さくすることができる高温空気燃焼技術を用いた反応炉の従来例が示されている。この従来の反応炉では、隣接する２本以上の反応管の間に形成された空間に反応管軸方向に向かって燃料を噴射するように、複数の主たるバーナ（主として燃料供給用）を配置する。そして炉本体内が高温空気燃焼状態になるまでは複数の別のバーナ（主として燃焼用空気供給と排気ガスの排気用）を燃焼させて反応炉内の温度を上昇させる。そして炉本体内が高温空気燃焼状態になった後に、複数の主たるバーナの燃焼を開始し、以後複数の主たるバーナの燃焼量の増加に伴って複数の別のバーナの燃焼量を減少させて必要な燃焼状態を得る。
【特許文献１】特開２００５−４６７５３号公報［図１］
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
高温空気燃焼技術を用いると、反応炉内の温度差をできるだけ小さくすることができる。しかしながら、従来の反応炉では、反応管の長さがあまり長くならない場合には（反応管の長さが６ｍに満たない場合には）、温度差を小さくできる効果を十分に発揮できるものの、反応管の長さが長くなればなるほど、反応炉内の温度差が大きくなる傾向があり、反応管の長さを長くすることに限界があった。
【０００４】
本発明の目的は、従来より反応管の長さを長くした場合でも、反応炉内の温度差を小さくすることができる反応炉を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の高温空気燃焼技術を適用する反応炉は、底壁と、上壁と、対向する一対の側壁を有する周壁とからなる炉壁によって囲まれた燃焼室を内部に有する炉本体を有している。また反応炉は、底壁と上壁との間に設けられた複数本の反応管と、底壁に設けられて燃焼室内において燃料を燃焼する複数のバーナと有する。さらに反応炉は、燃焼室内の燃焼ガスを吸気口を通して吸引し、燃焼ガスを通気性を有する蓄熱手段を通して炉外に排出し且つ蓄熱手段の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を高温空気供給口から燃焼室内に供給する熱交換型燃焼用空気供給装置を備えている。複数本の反応管は、一対の側壁に沿って並ぶ２列の反応管列を構成するように配置されている。また炉本体内が高温空気燃焼状態になるように複数のバーナ及び熱交換型燃焼用空気供給装置の運転が制御される。このような構成の反応炉において、本発明では、複数のバーナは、２列の反応管列の間に１列以上のバーナ列をなすように反応管列に沿って配置されている。また本発明では、２列の反応管列の間の距離Ｌ１及び高温空気供給口から供給される高温空気の流速並びに２列の反応管列と前記一対の側壁との間の距離Ｌ２を、複数のバーナから出た高温空気燃焼火炎により発生する高温空気燃焼ガスの主要部分が、次の流路で流れるように、定めている。すなわち複数のバーナから出た高温空気燃焼火炎により発生する高温空気燃焼ガスの主要部分は、２列の反応管列の間の内側空間内を２列の反応管に沿って上壁付近まで上昇する。その後、高温空気燃焼ガスの主要部分は、上壁に沿って一対の側壁側に分かれて流れ、２列の反応管列と一対の側壁との間の外側空間内に入る。その後、高温空気燃焼ガスの主要部分は、底壁付近まで下降し、その後再度内側空間内に入って排気口に導かれる。
【０００６】
なお高温空気燃焼ガスのうち上壁まで到達しなかった高温空気燃焼ガスは、内側空間を上昇した後、２列の反応管列に向かって分かれ、外側空間に入った後、底壁付近まで下降し、再度内側空間に入って排気口に導かれる。
【０００７】
このように反応炉を構成すると、反応管の長さが６ｍ以上になる場合でも、各反応管を内側空間と外側空間の両側から加熱することができるので、反応炉内の温度差が極端に大きくなることはない。反応管の下部領域近傍では、内側空間内のガス温度が高く、外側空間内のガス温度が低い。また反応管の上部領域では、内側空間内のガス温度と外側空間内のガス温度との差はあまり大きくならない。そして内側空間内においては、下部領域から上部領域の範囲内において、ガス温度の大きな変化はない。これに対して外側空間内においては、上部領域から下部領域に向かうに従って、ガス温度は低下する。しかしこの空間内においても、側壁に近い領域ではガス温度に大きな変化はない。反応管に近い領域では、上部領域と下部領域との間に、若干大きな温度差が発生している。これは、内部空間の途中から外部空間に入り込む燃焼ガスがあるためである。反応管の周囲を見ると、大きな温度差の無い高温の燃焼ガスが流れている。この内側空間内のガス温度と外側空間内のガス温度との関係から、反応管の長さが長くなっても、反応管の加熱温度は局部加熱となるほどに高くなることはない。
【０００８】
なお反応管の長さが、６ｍ〜１３ｍであれば、距離Ｌ１と距離Ｌ２との比（Ｌ１：Ｌ２）が、１：０．５〜１：１の間の比となるように距離Ｌ１及びＬ２を定めるのが好ましい。そして高温空気の流速は、複数のバーナから出た高温空気燃焼火炎が、反応管の管軸方向（長手方向）の中央部の位置を越えて上壁側に延びるように定められているのが好ましい。
【０００９】
具体的には、反応管の最高温度と最低温度との差が、１００℃以内になり、且つ高温空気燃焼ガスの最高温度と最低温度との差が５００℃以内になるように、２列の反応管列の間の距離Ｌ１、高温空気供給口から供給される高温空気の流速、２列の反応管列と一対の側壁との間の距離Ｌ２及びバーナの燃焼量が定められるのが好ましい。さらに具体的に示すと、距離Ｌ１を２ｍ以上３ｍ以下とし、距離Ｌ２を１ｍ以上３ｍ以下とした場合には、バーナの燃焼量を１ＭＷ以上３ＭＷ以下とする。距離Ｌ１が３ｍより大きくなると、内側空間から外側空間に燃焼ガスが入り込むことなく、内部空間内でのみ燃焼ガスが循環する内部循環が発生する可能性が高くなる。また距離Ｌ１が２ｍより小さくなると、２本の反応管列の間にバーナを配置するスペースがなくなって、反応炉の設計上好ましくない。さらに距離Ｌ２が３ｍより大きくなると、外部空間内で燃焼ガスが対流し、内部空間内に燃焼ガスが戻らない対流現象が発生する可能性が高くなり、効率のよい燃焼場を形成することができなくなって、熱損失が大きくなる。また距離Ｌ２が１ｍより小さくなると、内部空間から外部空間に入り込む燃焼ガスの量が少なくなって、効果的なガス循環を行えなくなる問題が生じる。なおバーナの燃焼量であるが、この燃焼量は、反応管の本数や、炉本体の大きさに左右される。標準的な大きさの反応炉であれば、バーナの燃焼量は２ＭＷ以上２．５ＭＷ以下となる場合が多い。さらに高温空気の流速は、反応管の長さによって決まる。反応管の長さが６ｍ以上になる場合には、少なくとも５０ｍ／sec以上の流速が必要であることが、実験から判っている。
【００１０】
２列の反応管列の間に配置される複数のバーナの数及び配置態様は特に限定されるものではない。しかし複数のバーナからなる２列のバーナ列を、それぞれ２列の反応管列に沿うように配置すると、バランスよく内部空間内に燃焼用ガスの流れを形成することができる。
【００１１】
また熱交換型燃焼用空気供給装置は、複数のバーナにそれぞれ対応して配置される複数の高温空気供給口と複数の排気口とを有しているのが好ましい。すなわち１つのバーナに対して１つの高温空気供給口と１つの排気口とを配置するのが好ましい。このようにすると、バランスよく燃焼ガスの循環を形成することができる。この場合、１つのバーナが間に位置するように、１つの高温空気供給口と１つの排気口とが、バーナ列が延びる方向に並ぶように配置されているのが好ましい。このようにすると、２列の反応管列の間に複数のバーナを配置する場合でも、複数のバーナと、複数の高温空気供給口と複数の排気口とを最小限のスペースで配置することができるので、設計が容易になる。
【００１２】
なお一般的に、複数の反応管は、底壁と上壁との間に設けられて、しかも底壁と上壁とを貫通している。そして底壁と上壁とを貫通した反応管は、上部支持構造により支持される。また反応管としては、内部に往路と復路とが形成されたバイオネット型の反応管を用いることもできる。
【００１３】
燃焼用空気は、一般的に蓄熱体の顕熱で８００℃以上の高温に加熱される。熱交換型燃焼用空気供給装置と１つのバーナとが組み合わされた装置は、高温空気燃焼型蓄熱式バーナと呼ばれている。この高温空気燃焼型蓄熱式バーナとしては、例えば特開平１１−２２３３３５号公報及び特開２０００−３９１３８号公報等に示されている周知の連続燃焼式蓄熱バーナシステムを用いることができる。この種の連続燃焼式蓄熱バーナシステムでは、１台のバーナ内部に分割した蓄熱体を有し、一部の蓄熱体に燃焼用空気を供給し、同時に他の部分の蓄熱体は燃焼ガスを吸引して蓄熱を行う。空気供給及び燃焼ガス排出の流路は一定周期で切り換えられ、１台のバーナシステム内部で蓄熱／放熱が繰り返される。高温空気の吐出口は、燃焼ガス排気口と交互に切り替えられる。しかし燃料は１本のバーナから連続的に供給できる。また高温空気燃焼型蓄熱式バーナは、いわゆる交番式蓄熱バーナを用いて構成することもできる。交番式蓄熱バーナは、１つの蓄熱体全体に燃焼用空気と排気ガスとを交互に流して、燃焼用空気を蓄熱体の顕熱で加熱するものである。交番式蓄熱バーナには、大別してバーナの燃焼を連続する連続燃焼タイプと、バーナの燃焼を断続する断続燃焼タイプとがある。連続燃焼タイプのものは、例えば特開平５−２５６４２３号公報や特開平６−１１１２１号公報に示されている。また断続燃焼タイプの一例は、特開平１−２２２１０２号公報に示されている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、２本の反応管列の間の内側空間内においては、下部領域から上部領域に向かうに従って、ガス温度は低下し、逆に２本の反応管列の外側空間内においては、下部領域から上部領域に向かうに従って、ガス温度は増加する。この内側空間内のガス温度と外側空間内のガス温度との関係から、本発明によれば、反応管の長さが６ｍ以上になっても、反応炉内の温度差が、反応管で局部加熱を発生するほどに大きくなることがないという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明を改質用反応炉に適用した実施の形態の構成の一例を概略的に示す図である。また図２は、反応炉の炉本体の内部の構成を概念的に示す斜視図であり、図３は反応炉の内部の配置図である。図１及び図２において、符号１で示したものは、内部に燃焼室２を有する炉本体である。炉本体１は、底壁（炉床）１ａ及び上壁（炉天井）１ｂと、横方向（図１の紙面で見た左右方向）の一対の側壁１ｃ及び１ｄと、幅方向（図１の紙面で見た前後方向）に位置する一対の側壁１ｅ及び１ｆとを備えている。
【００１６】
炉本体１の底壁（炉床）１ａは、支持構造部１０によって支持されている。そして炉本体１の底壁１ａと上壁１ｂとを貫通するように、複数本の反応管３が配置されている。この実施の形態では、複数本（図上は１２本）の反応管３からなる２列の反応管列４Ａ及び４Ｂが、距離Ｌ１をあけて平行に配置されている。この例では図２に見られるように、１列の反応管列に含まれる隣り合う２本の反応管３，３間の距離はほぼ等しくなるように、複数の反応管３は配置されている。図１に見られるように、上壁１ｂを貫通する反応管３の上方端部には、反応管３の膨張・収縮を吸収することができる変形可能な構造を有する連結管５が配置されている。各反応管３に接続された連結管５は、図示しないマニホールドにそれぞれ接続されている。また底壁１ａを貫通する反応管３の下方端部にも、連結管６がぞれぞれ接続されている。各反応管３に接続された連結管６は、各反応管列４Ａ，４Ｂに対してそれぞれ設けられた共通のマニホールド６Ａ，６Ｂにそれぞれ接続されている。
【００１７】
炉本体１の底壁１ａの下方には、熱交換型燃焼用空気供給装置７が取り付けられている。熱交換型燃焼用空気供給装置７は、燃焼室内の燃焼ガスを通気性を有する蓄熱手段８を通して炉外に排出し且つ蓄熱手段８の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を複数の反応管３の管軸方向に向かって燃焼室２内に供給する。
【００１８】
熱交換型燃焼用空気供給装置７の下方には、ダクト構造体９が設けられている。このダクト構造体９は、燃焼用空気を供給する空気ダクト９Ａと排気ガスを排出する排気ガスダクト９Ｂとを備えている。また、このダクト構造体９には、蓄熱手段８に空気と燃焼ガス（排気ガス）とを交互に流すようにするための切換機構１４が設けられている。更にこのダクト構造体９には、燃焼用空気を空気ダクトに送り込む押し込み送風機（図示せず）と排気ガスを排気ガスダクトから引き出す誘引送風機（図示せず）とが配置されている。
【００１９】
また図３に示すように、燃焼室２内に加熱された高温の燃焼用空気を供給する複数の高温空気供給口または燃焼ガスを吸気するための複数の吸気口となる通気口１０，１１及び燃料供給口１２を備えたバーナ構造体１３が、燃焼室２内に向かって開口するように底壁１ａに設けられている。そして高温空気供給口及び吸気口の一方となる通気口１０と高温空気供給口及び吸気口の他方となる通気口１１との間に燃料供給口１２が設けられている。なお本実施の形態では、このバーナ構造体１３の燃料供給口１２が、特許請求の範囲に記載のバーナを構成している。本実施の形態の反応炉では、４本の反応管３に対して１本の燃料供給口並びに、１つの高温空気供給口と１つの吸気口となる一対の通気口１０及び１１がセットになったバーナ構造体１３が、反応管列４Ａ，４Ｂに沿って配置されている。なお本実施例では、通気口１０が高温空気供給口となっている場合には、通気口１１が吸気口となっており、通気口１０が吸気口となっている場合には、通気口１１が高温空気供給口となっている。
【００２０】
熱交換型燃焼用空気供給装置７から複数の燃料供給口１２に供給される空気量は、複数の燃料供給口１２から供給される燃料流量に対する理論燃料空気量の１２０％未満にする。そしてこの空気量は、好ましくは１１５％未満、より好ましくは１０２〜１１０％にすることがよい。本実施の形態では、炉本体内が高温空気燃焼状態（高温空気の温度が８００℃以上）になるように複数のバーナ構造体１３及び熱交換型燃焼用空気供給装置７の運転が制御される。
【００２１】
本実施の形態では、２列の反応管列４Ａ，４Ｂの間の距離Ｌ１と２列の反応管列４Ａ，４Ｂと一対の側壁１ｃ，１ｄとの間の距離Ｌ２及び高温空気供給口から供給される高温空気の流速を、複数のバーナ１２から出た高温空気燃焼火炎により発生する高温空気燃焼ガスの主要部分が、次の流路で流れるように定められている。
【００２２】
図４は、本実施の形態の反応炉における高温空気燃焼ガスの流れと温度の変化、及び反応管の温度差を実験データにより求めた条件に基づいてシミュレーションにより確認した状態を示す模式図である。このシミュレーション例では、反応管の長さ１０ｍ、1本の反応管列を構成する反応管の本数８本、反応管の直径１６４mm、Ｌ１＝２.４ｍ、Ｌ２＝２.７ｍ、高温空気の流速５０ｍ／sec以上、バーナの燃焼量２．２ＭＷ、高温空気の噴出し温度１０００〜１１００℃である。複数のバーナ構造体１３から出た高温空気燃焼火炎により発生する高温空気燃焼ガスの主要部分ＧＭは、２列の反応管列４Ａ，４Ｂの間の内側空間ＩＳ内を２列の反応管４Ａ，４Ｂに沿って上壁１ｂ付近まで上昇する。その後、高温空気燃焼ガスの主要部分ＧＭは、上壁１ｂに沿って一対の側壁１ｃ，１ｄ側に分かれて流れ、２列の反応管列４Ａ，４Ｂと一対の側壁１ｃ，１ｄとの間の外側空間ＯＳ1，ＯＳ２内に入る。その後、高温空気燃焼ガスの主要部分ＧＭは、底壁１ａ付近まで下降し、その後再度内側空間ＩＳ内に入って排気口に導かれる。
【００２３】
なお高温空気燃焼ガスのうち上壁１ａまで到達しなかった残りの高温空気燃焼ガスＧＲは、内側空間ＩＳを上昇した後、２列の反応管列４Ａ，４Ｂに向かって分かれ、外側空間ＯＳ1，ＯＳ２に入った後、底壁１ａ付近まで下降し、再度内側空間ＩＳに入って排気口に導かれる。
【００２４】
高温空気燃焼ガスの温度の変化及び反応管３の各部の温度の変化は、図４に数字で示すとおりである。この例から、反応管３の最高温度と最低温度との差が、１００℃以内になっている。また高温空気燃焼ガスの最高温度と最低温度との差が５００℃以内になっている。ちなみに、特願２００３−２８２４１１号（特開２００５−４６７５３号公報）の図１に示された構造で、上記と同様のシミュレーションを行ったところ、反応管の最高温度と最低温度との差が、１００℃以上になり、また高温空気燃焼ガスの最高温度と最低温度との差が５００℃以上になることが確認された。
【００２５】
図４の結果から判るように、本実施の形態のように反応炉を構成すると、反応管の長さが６ｍ以上になる場合でも、各反応管３を内側空間ＩＳと外側空間ＯＳ1，ＯＳ２の両側から加熱することができるので、反応炉内の温度差が極端に大きくなることはない。ま反応管３の下部領域近傍では、内側空間ＩＳ内のガス温度が高く、外側空間ＯＳ1，ＯＳ２内のガス温度が低い。また反応管３の上部領域では、内側空間ＩＳ内のガス温度と外側空間ＯＳ1，ＯＳ２内のガス温度との差はあまり大きくならない。そして内側空間ＩＳ内においては、下部領域から上部領域の範囲内において、ガス温度の大きな変化はない。また外側空間内においては、上部領域から下部領域に向かうに従って、徐々にガス温度は低下する。しかしながら側壁に近い領域では、大きな温度差が発生していない。反応管３に近い領域では、上部領域と下部領域との間に、若干大きな温度差が発生している。これは、内部空間ＩＳの途中から外部空間ＯＳ1，ＯＳ２に入り込む燃焼ガスがあるためである。しかしながら反応管３の周囲を見ると、大きな温度差の無い高温の燃焼ガスが流れている。この内側空間ＩＳ内のガス温度と外側空間ＯＳ1，ＯＳ２内のガス温度との関係から、反応管３の長さが長くなっても、反応管３の加熱温度は局部加熱となるほどに高くなることはない。
【００２６】
なお反応管の長さが、６ｍ〜１３ｍであれば、距離Ｌ１と距離Ｌ２との比（Ｌ１：Ｌ２）が、１：０．５〜１：１の間の比となるように距離Ｌ１及びＬ２を定めるのが好ましいことが実験とシミュレーションとにより判った。そして高温空気の流速は、複数のバーナ構造体から出た高温空気燃焼火炎が、反応管の長手方向の中央部の位置を越えて上壁側に延びるように定められているのが好ましい。具体的には、５０ｍ／ｓｅｃ以上が好ましい。
【００２７】
また実験とシミュレーションとによると、２列の反応管列の間の距離Ｌ１は、２ｍ以上３ｍ以下とし、２列の反応管列と側壁１ｃ，１ｄとの間の距離Ｌ２を１ｍ以上３ｍ以下とした場合には、バーナの燃焼量を１ＭＷ以上３ＭＷ以下とするのが好ましいことが判った。これは距離Ｌ１が３ｍより大きくなると、内側空間ＩＳから外側空間ＯＳ1，ＯＳ２に燃焼ガスが入り込むことなく、内部空間ＩＳ内でのみ燃焼ガスが循環する内部循環が発生する可能性が高くなるからである。また距離Ｌ１が２ｍより小さくなると、２本の反応管列４Ａ，４Ｂの間にバーナ構造体１３を配置するスペースがなくなって、反応炉の設計上好ましくないからである。さらに距離Ｌ２が３ｍより大きくなると、外部空間内で燃焼ガスが対流し、内部空間内に燃焼ガスが戻らない対流現象が発生する可能性が高くなり、効率のよい燃焼場を形成することができなくなって、熱損失が大きくなることが判っている。また距離Ｌ２が１ｍより小さくなると、内部空間ＩＳから外部空間ＯＳ1，ＯＳ２に入り込む燃焼ガスの量が少なくなって、効果的なガス循環を行えなくなる問題が生じる。
【００２８】
なおバーナの燃焼量であるが、この燃焼量は、反応管３の本数や、炉本体の大きさに左右される。標準的な大きさの反応炉であれば、バーナ構造体１３における燃焼量は２ＭＷ以上２．５ＭＷ以下となる場合が多い。
【００２９】
本実施の形態では、２列のバーナ列を構成するように、複数のバーナ構造体を配置している。このように複数のバーナ構造体からなる２本のバーナ列を、それぞれ２列の反応管列に沿うように配置すると、バランスよく内部空間内に燃焼用ガスの流れを形成することができる。しかし２列の反応管列の間に配置される複数のバーナ構造体１３の数及び配置態様は、本実施の形態に限定されるものではない。例えば、２列のバーナ列を構成する複数のバーナ構造体を千鳥状に配置（１列のバーナ列のバーナ構造体と他の１列のバーナ列のバーナ構造体とが対向しないように配置）してもよいのは勿論である。
【００３０】
また熱交換型燃焼用空気供給装置７は、複数の燃料供給口１２にそれぞれ対応して配置される複数の高温空気供給口１０または１１と複数の排気口１１または１０とを有しているのが好ましい。すなわち１つの燃料供給口１２に対して１つの高温空気供給口と１つの排気口とを配置するのが好ましい。このようにすると、バランスよく燃焼ガスの循環を形成することができる。特に本実施の形態のように、１つの燃料供給口１２が間に位置するように、１つの高温空気供給口１０または１１と１つの排気口１１または１０とが、バーナ列が延びる方向に並ぶように配置されているのが好ましい。このようにすると、２列の反応管列４Ａ，４Ｂの間に複数のバーナ構造体１３を配置する場合でも、複数の燃料供給口１２と、複数の高温空気供給口１０または１１と複数の排気口１１または１０とを最小限のスペースで配置することができるので、設計が容易になる。
【００３１】
なお図５に示すように、反応管としては、内部に往路と復路とが形成されたバイオネット型の反応管３´を用いることもできる。図５には、図１に示した部材と同様の部材には、図１に示した部材に付した符号にダッシュを付した符号を付して説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明を改質用反応炉に適用した実施の形態の構成の一例を概略的に示す図である。
【図２】反応炉の炉本体の内部の構成を概念的に示す斜視図である。
【図３】反応炉の内部の配置図である。
【図４】燃焼ガスの流れと、燃焼ガスの温度変化と反応管の温度の変化を説明すらうために用いる模式図である。
【図５】反応管としてバイオネット型反応管を用いる場合の反応炉の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３３】
１ 炉本体
１ａ 底壁
１ｂ 上壁
３ 反応管
７ 熱交換型燃焼用空気供給装置
８ 蓄熱手段
１０，１１ 通気口
１２ 燃料供給口（バーナ）
１３ バーナ構造体
１４ 切換機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
底壁と、上壁と、対向する一対の側壁を有する周壁とからなる炉壁によって囲まれた燃焼室を内部に有する炉本体と、
前記底壁と前記上壁との間に設けられた複数本の反応管と、
前記底壁に設けられて前記燃焼室内において燃料を燃焼する複数のバーナと、
前記燃焼室内の燃焼ガスを吸気口を通して吸引し、前記燃焼ガスを通気性を有する蓄熱手段を通して炉外に排出し且つ前記蓄熱手段の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を高温空気供給口から前記燃焼室内に供給する熱交換型燃焼用空気供給装置とを備え、
前記複数本の反応管が、前記一対の側壁に沿って並ぶ２列の反応管列を構成するように配置されており、
前記炉本体内が高温空気燃焼状態になるように前記複数のバーナ及び前記熱交換型燃焼用空気供給装置の運転が制御される反応炉であって、
前記複数のバーナが、前記２列の反応管列の間に１列以上のバーナ列をなすように前記反応管列に沿って配置されており、
前記２列の反応管列の間の距離Ｌ１及び前記高温空気供給口から供給される高温空気の流速並びに前記２列の反応管列と前記一対の側壁との間の距離Ｌ２は、前記複数のバーナから出た高温空気燃焼火炎により発生する高温空気燃焼ガスの主要部分が、前記２列の反応管列の間の内側空間内を前記２列の反応管に沿って前記上壁付近まで上昇し、その後前記上壁に沿って前記一対の側壁側に分かれて流れ、前記２列の反応管列と前記一対の側壁との間の外側空間内に入った後、前記底壁付近まで下降し、その後再度前記内側空間内に入って前記排気口に導かれるように定められていることを特徴とする反応炉。
【請求項２】
前記高温空気燃焼ガスのうち前記上壁まで到達しなかった前記高温空気燃焼ガスは、前記内側空間を上昇した後、前記２列の反応管列に向かって分かれ、前記外側空間に入った後、前記底壁付近まで下降し、再度前記内側空間に入って前記排気口に導かれることを特徴とする請求項１に記載の反応炉。
【請求項３】
前記反応管の最高温度と最低温度との差が、１００℃以内になり、且つ前記高温空気燃焼ガスの最高温度と最低温度との差が５００℃以内になるように、前記２列の反応管列の間の距離Ｌ１、前記高温空気供給口から供給される高温空気の流速、前記２列の反応管列と前記一対の側壁との間の距離Ｌ２及び前記バーナの燃焼量が定めらている請求項１または２に記載の反応炉。
【請求項４】
前記距離Ｌ１と前記距離Ｌ２との比（Ｌ１：Ｌ２）が、１：０．５〜１：１の間の比となるように前記距離Ｌ１及びＬ２が定められている請求項１または２に記載の反応炉。
【請求項５】
前記高温空気の流速は、前記複数のバーナから出た高温空気燃焼火炎が、前記反応管の長手方向の中央部の位置を越えて前記上壁側に延びるように定められている請求項１または２に記載の反応炉。
【請求項６】
２列の前記バーナ列が、それぞれ前記２列の反応管列に沿うように配置されている請求項１に記載の反応炉。
【請求項７】
前記熱交換型燃焼用空気供給装置は、前記複数のバーナにそれぞれ対応して配置される複数の前記高温空気供給口と複数の前記排気口とを有している請求項１に記載の反応炉。
【請求項８】
１つの前記バーナが間に位置するように、１つの前記高温空気供給口と１つの前記排気口とが、前記バーナ列が延びる方向に並ぶように配置されている請求項７に記載の反応炉。
【請求項９】
前記反応管の長さが６ｍ〜１３ｍであり、
前記距離Ｌ１が２ｍ以上３ｍ以下であり、
前記距離Ｌ２が１ｍ以上３ｍ以下であり、
前記バーナの燃焼量が１ＭＷ以上３ＭＷ以下であり、
前記高温空気の温度が、８００℃以上であり、
前記流速が５０ｍ／秒以上である請求項３に記載の反応炉。
【請求項１】
底壁と、上壁と、対向する一対の側壁を有する周壁とからなる炉壁によって囲まれた燃焼室を内部に有する炉本体と、
前記底壁と前記上壁との間に設けられた複数本の反応管と、
前記底壁に設けられて前記燃焼室内において燃料を燃焼する複数のバーナと、
前記燃焼室内の燃焼ガスを吸気口を通して吸引し、前記燃焼ガスを通気性を有する蓄熱手段を通して炉外に排出し且つ前記蓄熱手段の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を高温空気供給口から前記燃焼室内に供給する熱交換型燃焼用空気供給装置とを備え、
前記複数本の反応管が、前記一対の側壁に沿って並ぶ２列の反応管列を構成するように配置されており、
前記炉本体内が高温空気燃焼状態になるように前記複数のバーナ及び前記熱交換型燃焼用空気供給装置の運転が制御される反応炉であって、
前記複数のバーナが、前記２列の反応管列の間に１列以上のバーナ列をなすように前記反応管列に沿って配置されており、
前記２列の反応管列の間の距離Ｌ１及び前記高温空気供給口から供給される高温空気の流速並びに前記２列の反応管列と前記一対の側壁との間の距離Ｌ２は、前記複数のバーナから出た高温空気燃焼火炎により発生する高温空気燃焼ガスの主要部分が、前記２列の反応管列の間の内側空間内を前記２列の反応管に沿って前記上壁付近まで上昇し、その後前記上壁に沿って前記一対の側壁側に分かれて流れ、前記２列の反応管列と前記一対の側壁との間の外側空間内に入った後、前記底壁付近まで下降し、その後再度前記内側空間内に入って前記排気口に導かれるように定められていることを特徴とする反応炉。
【請求項２】
前記高温空気燃焼ガスのうち前記上壁まで到達しなかった前記高温空気燃焼ガスは、前記内側空間を上昇した後、前記２列の反応管列に向かって分かれ、前記外側空間に入った後、前記底壁付近まで下降し、再度前記内側空間に入って前記排気口に導かれることを特徴とする請求項１に記載の反応炉。
【請求項３】
前記反応管の最高温度と最低温度との差が、１００℃以内になり、且つ前記高温空気燃焼ガスの最高温度と最低温度との差が５００℃以内になるように、前記２列の反応管列の間の距離Ｌ１、前記高温空気供給口から供給される高温空気の流速、前記２列の反応管列と前記一対の側壁との間の距離Ｌ２及び前記バーナの燃焼量が定めらている請求項１または２に記載の反応炉。
【請求項４】
前記距離Ｌ１と前記距離Ｌ２との比（Ｌ１：Ｌ２）が、１：０．５〜１：１の間の比となるように前記距離Ｌ１及びＬ２が定められている請求項１または２に記載の反応炉。
【請求項５】
前記高温空気の流速は、前記複数のバーナから出た高温空気燃焼火炎が、前記反応管の長手方向の中央部の位置を越えて前記上壁側に延びるように定められている請求項１または２に記載の反応炉。
【請求項６】
２列の前記バーナ列が、それぞれ前記２列の反応管列に沿うように配置されている請求項１に記載の反応炉。
【請求項７】
前記熱交換型燃焼用空気供給装置は、前記複数のバーナにそれぞれ対応して配置される複数の前記高温空気供給口と複数の前記排気口とを有している請求項１に記載の反応炉。
【請求項８】
１つの前記バーナが間に位置するように、１つの前記高温空気供給口と１つの前記排気口とが、前記バーナ列が延びる方向に並ぶように配置されている請求項７に記載の反応炉。
【請求項９】
前記反応管の長さが６ｍ〜１３ｍであり、
前記距離Ｌ１が２ｍ以上３ｍ以下であり、
前記距離Ｌ２が１ｍ以上３ｍ以下であり、
前記バーナの燃焼量が１ＭＷ以上３ＭＷ以下であり、
前記高温空気の温度が、８００℃以上であり、
前記流速が５０ｍ／秒以上である請求項３に記載の反応炉。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図４】
【図２】
【図３】
【図５】
【図４】
【公開番号】特開２００８−１９６７８６（Ｐ２００８−１９６７８６Ａ）
【公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３３０８２（Ｐ２００７−３３０８２）
【出願日】平成１９年２月１４日（２００７．２．１４）
【出願人】（０００００３２８５）千代田化工建設株式会社 (162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月１４日（２００７．２．１４）
【出願人】（０００００３２８５）千代田化工建設株式会社 (162)
【Ｆターム（参考）】
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